EP0489628A1 - Procédé de refroidissement par évaporation pour moteur à combustion interne et dispositif de mise en oeuvre - Google Patents

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EP0489628A1
EP0489628A1 EP91403235A EP91403235A EP0489628A1 EP 0489628 A1 EP0489628 A1 EP 0489628A1 EP 91403235 A EP91403235 A EP 91403235A EP 91403235 A EP91403235 A EP 91403235A EP 0489628 A1 EP0489628 A1 EP 0489628A1
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cooling
cooling device
liquid
circuit
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Said Zidat
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Stéphane Rousseau
Qinggen Yu
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Regie Nationale des Usines Renault
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Renault SAS
Regie Nationale des Usines Renault
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    • F01P7/08—Controlling of coolant flow the coolant being cooling-air by cutting in or out of pumps

Definitions

  • the invention relates to a cooling method for an internal combustion engine and in particular to a method ensuring the cooling of an automobile engine by evaporation of a coolant.
  • the invention also relates to a cooling circuit and its components for implementing the method.
  • a cooling fluid water, air, oil ... sweeps the walls of the combustion chambers.
  • cooling systems use a forced circulation of water (mixed with rust inhibitors and antifreeze) in a closed loop circuit.
  • the water driven by a pump absorbs heat from the hot parts of the engine mainly in a water chamber surrounding the cylinders, then is cooled in turn in a radiator, where ambient air circulates, before returning to the engine.
  • We improves this operation by means ensuring temperature regulation, by degassing means, by means of pressurizing the water circuit to avoid cavitation of the pump or also by means of rapid rise in temperature during cold engine starts.
  • the quantity of liquid introduced into the cooling circuit is large.
  • This quantity of water is penalizing: in terms of weight: it weighs down the engine and in terms of temperature rise during cold starts: it slows down this rise, resulting in unburnt and pollutant emissions.
  • the coolant evaporates inside the water chamber.
  • the steam passes through tubular pipes and for example liquid-vapor phase separators, up to the radiator, where the steam is condensed by fan cooling.
  • the condensate is returned, from the condensate collector, to the engine water chamber in an appropriate way at a low point, either under the action of the force of gravity (in so far as the condenser is placed above of the water chamber) or by means of a small lifting pump.
  • Pressurization of the circuit can also occur if the evacuation of the steam at the engine outlet is not well arranged. In this case a Reverse flow can occur and cause the areas at the top of the engine to dry out.
  • level sensors are installed to allow the starting of a pump when necessary.
  • Stagnant boiling is also ill-suited to slope cooling.
  • the object of the present invention is to overcome these drawbacks by proposing a method and a cooling circuit by evaporation of a liquid which ensure efficient cooling whatever the conditions of use of the engine and this in a fairly simple manner.
  • the method for cooling an internal combustion engine in which the cooling is obtained by evaporation of a cooling liquid and the vapor is then brought back to the liquid state by drawing off heat in a cooling device, is characterized in that '' it consists on the one hand, to circulate the coolant in a forced manner following a flow circuit comprising the engine water chamber and on the other hand, to adapt the flow of coolant and the prevailing pressure in the flow circuit as a function of one or more engine operating parameters.
  • the cooling takes place by circulating boiling unlike the classic stagnant boiling process, which eliminates the problem of level sensors and allows efficient cooling whatever the inclination of the engine while retaining the advantage of a reduced amount of liquid.
  • the adaptation of the physical characteristics of the circulating boiling: flow and pressure, allows an adequacy of the means of cooling and the cooling requirements of the engine. Thanks to the invention, excessive or insufficient cooling is greatly limited, which penalizes the operation of the engine in terms in particular of emissions of polluting products.
  • the flow rate of the coolant and the pressure prevailing in the flow circuit change with the power developed by the engine.
  • the flow rate of the coolant and the pressure prevailing in the flow circuit are kept constant at predetermined values Q1 and P1 and when the engine power exceeds said predetermined value, said flow rate and said pressure are brought to new predetermined values Q2 and P2 with Q2> Q1 and P2 ⁇ P1.
  • the invention also relates to a cooling device for implementing the method, characterized in that it comprises means for ensuring the forced circulation of the coolant in the engine water chamber and means for adjusting the flow rate. and coolant pressure with engine operation.
  • the means for ensuring the forced circulation of the liquid comprise a primary circuit and as a bypass a secondary circuit for the treatment of the vapor.
  • the primary circuit for circulating the coolant consists of the engine water chamber, a manifold, a phase separator and a return line to the chamber. with a hydraulic pump.
  • the secondary bypass circuit comprises a heat exchanger cooled by a fan and connected to the phase serarator by a supply line, a liquid storage tank and a return line to the primary circuit.
  • the means for adapting the flow rate and the pressure of the coolant with the operation of the engine include an electronic computer which, depending on the power supplied by the engine, the temperature of the liquid in the separator and / or the rate vacuum at the motor outlet controls the fan, the valve and the pump.
  • the cooling device comprises a primary circuit for circulating the cooling fluid C1.
  • This primary circuit comprises the "water chamber" 20 of the internal combustion engine 1.
  • This water chamber 20 consists of an enclosure surrounding the walls of the combustion chambers, defined in the cylinder block and is extending into the cylinder head.
  • the upper part of the water chamber 20 communicates by a collector 2, with a phase separator 3.
  • the primary circuit C1 then continues with a pipe 5 which connects the lower part of the phase separator 3, where the liquid is collected , to a feed pump 4 and pump 4 to the water chamber.
  • the primary circuit C1 therefore constitutes a circulation loop for the coolant.
  • This primary circuit C1 admits a secondary circuit C2 bypass for the treatment of the vapor phase.
  • This second circuit C2 comprises a line 12 connecting the upper part of the phase separator 3 where the steam circulates, to an exchanger 6, where the condensate is collected, in which communicates with a tank 11 via the line 13.
  • This tank 11 is provided a valve 10 for adjusting the pressure therein.
  • the bypass generated by the second circuit ends in line 15 connecting the tank 11 to the pump 4, line 15 is equipped with a valve 8 controlled by the level of liquid in the tank 11 by means of a float device 9.
  • the implementation of the pump 4, the fan 7 and the valve 10 is controlled by an electronic computer 17 according to different parameters: the temperature of the liquid in the phase separator (probe 18), the power of the motor, the temperature at the walls of the combustion chambers, or the vacuum rate at the outlet of the water chamber (conductimetric probe 19).
  • the cooling fluid Before starting the engine 1, the cooling fluid is in liquid form and is only present in the primary circuit C1 except for a small amount retained in the tank 11, the valve 8 is in the closed position, preventing the passage of the liquid from the primary circuit C1 to the tank 11 and the exchanger 6.
  • the computer 17 When starting the computer 17 generates a setpoint P1 for the pressure prevailing in the tank 11 and therefore in the entire cooling device via the exchanger 6 and line 12. This pressure is generated by the operation of the valve 10.
  • the computer 17 also determines a flow rate value Q1 for the pump 4.
  • the cooling fluid circulates according to the primary circuit C1 until the liquid begins to boil in the water chamber 20 at contact of the hot walls of the combustion chambers. From then on, the collector 2 discharges a liquid-vapor mixture. The phases are separated in the separator 3.
  • the liquid continues to circulate in a closed loop in the primary circuit C1.
  • the vapor imprints on the second circuit C2, said branch circuit, and passes through the exchanger 6, expelling the air which is there and
  • the condensate feeds the reservoir 11 and thus raises the level of the liquid.
  • a level threshold is exceeded, the float device 9 forming a level sensor opens the valve 8 which allows to recirculate in the primary circuit or loop C1 a certain amount of liquid. The float device 9 closes the valve 8 as soon as the level has dropped sufficiently.
  • the computer 17 controls the operation of the fan in order to accelerate the condensation at the level of the radiator 6 and if the condensation is not sufficient, operate the valve 10 so as to escape the compressed air beforehand stored in the reservoir 11.
  • the pressure prevailing in the circuit is monitored by the temperature sensor 18 placed in the lower part of the phase separator 3 in contact with the liquid phase.
  • This regulation therefore makes it possible to maintain an almost constant pressure and therefore a fixed vaporization temperature, which does not require frequent opening of the regulation valve.
  • the computer 17 When, during operation, the engine power exceeds a predetermined threshold, the computer 17 then generates a second setpoint P2 for the pressure prevailing in the cooling circuit with P2 ⁇ P1, by controlling the fan 7 and the valve 10.
  • the system By lowering the boiling point and increasing the flow of coolant, the system is able to meet increased cooling needs by using the same device and the same amount of coolant.
  • Figure 2 specifies a preferred embodiment of the phase separator 3 and the collector 2 described above.
  • a phase separator requires a large volume so as to slow down the liquid vapor mixture upon its entry and thus reduce the effect of the drag force of the two phases.
  • the two phases are then separated by their gravitational force: the vapor exits from the top of the separator, while the liquid collected at the bottom of the container exits from the bottom.
  • the steam collector As for the steam collector, its role is to facilitate the evacuation of steam from the engine to the condenser. With its vertical pipes located to the right of the cylinder head of the engine it reduces the risk of a boiling crisis by homogenizing the vacuum rate and the temperature of the two-phase flow.
  • a collector-separator assembly usually occupies a large volume that is hardly compatible with the requirements of today's vehicles.
  • the separator and the collector have been combined into a single assembly 23.
  • This assembly comprises a plurality of vertical pipes 232, a cylindrical chamber 234, a steam outlet 233 and a water outlet 231 fitted with an anti-steam valve.
  • the vertical conduits 232 protrude inside the chamber 234 up to about a third of the height of the latter.
  • the liquid vapor vapor mixture discharged directly from the engine can freely emerge from the conduits 232 into the chamber 234.
  • the vapor exits from the top of the separator towards the condenser via the conduit 12, while the liquid falls to the bottom of the collector where it is then evacuated down through line 5 after passing through the anti-vapor valve.
  • This anti-vapor valve is specified in accordance with Figures 3a and 3b.
  • the role of this valve is to prohibit any passage of vapor in the circuit 5 for returning the liquid to the engine, a passage which could cause harmful depressions.
  • the valve is housed in a cavity 235 at the bottom of which the water outlet orifice 231 is formed.
  • This orifice is provided with a seat 236 which can be closed off by the lower end of a float 237 forming a needle.
  • the float 237 is held above the seat, housed in a cylindrical guide tube 238 closed in its upper part and perforated in its lower part for the passages of the liquid.
  • the condenser 6 described above is of the two pass type. It is formed by a radiator 46 comprising two vertical distribution boxes: a first box 460 and a second box 461, these boxes communicate with each other by bundles 462 of tubes of small diameter extending substantially horizontally.
  • the first box 460 where the steam supply line 12 opens out is split into two half-boxes by a horizontal partition wall.
  • the steam enters the upper half-box and crosses the bundles of horizontal tubes 462 to reach the second box 461. Part of the steam condenses during this passage and flows to the bottom of the second box 461.
  • the residual steam is sucked up and reintroduced into the upper half-box using a suction system actuated by a turbine 463. Due to the low pressure drop between the inlet and the outlet of this type of condenser , the turbine requires only a small driving power.
  • each of these orifices is provided with a vapor valve 464 similar to that described above.
  • FIG. 5 shows more precisely a sectional view of the conductimetric probe 19 of the means for measuring the vacuum rate. It essentially consists of two annular electrodes 191 - 192 inserted coaxially at a certain distance from each other in an insulating and heat resistant cylinder 190. This assembly thus produced forms an outlet of the cooling circuit connecting the outlet of the engine water chamber to the separator.
  • FIG. 6 represents the electrical circuit connected to the output of the electrodes and allowing the measurement of the average vacuum rate. It consists of a conductivity meter C associated with an integrator I.
  • the conductivity meter comprises: a voltage source U o connected to one of the electrodes of the conductimetric probe, a resistor R1 connected between earth and the second electrode of the probe.
  • the integrator conventionally comprises an operational amplifier T1 and a capacitor C1.
  • the probe having a conductance G constitutes with the resistor R1 a dividing bridge on which the measurement of the vacuum rate can be preveled by measuring the voltage U r across the resistor R1.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of the cooling circuit in which the vent valve 10 is removed. It appears in fact that if such a purge system is simple to implement, it nevertheless has certain drawbacks, among which may be mentioned the loss of coolant and the acceleration of the aging of the latter by oxygenation.
  • Such a system allows adjustment of the circuit pressure in a way that is simple, safe and stable: a simple pressure on the bellows increases the pressure of the circuit unlike a purge system which requires a longer time to adjust the pressures.
  • the present circuit comprises a primary circuit for circulation of the cooling fluid V1.
  • the primary circuit V1 comprises the "water chamber" of the engine 1, a vapor separator-collector 23, a pipe 5 equipped with a non-return valve 55 which makes it possible to connect the lower part of the separator collecting the liquid to a feed pump 4 and which continues from the pump to the inlet of the water chamber.
  • the vapor phase is treated in a secondary circuit V2 bypass to the circuit V1 where a pipe 12 connects the steam outlet of the separator 23 to the inlet of the condenser 46, a precision sensor equips this pipe.
  • a turbine 122 is inserted before the inlet of the condenser, in order to facilitate the extraction of the engine outlet steam if it was problematic.
  • the condensate is collected in a pipe 13 equipped with a non-return valve 131.
  • This pipe communicates with a variable volume tank 51 and extends to a valve 8 controlled by the computer.
  • the V2 branch ends with a line connecting the valve 8 to the pump 4.
  • This circuit being completely closed, there is no vent valve as in the device described above, it is necessary to place a safety valve 47 in the upper part of the condenser 46. This has for aim to avoid any increase in pressure that could not be controlled.
  • the origin of this overpressure can be a pump failure or blockage of a valve for example.
  • variable volume tank 51 is then in the minimum position.
  • the two-phase liquid-vapor mixture is separated in the collector-separator 23.
  • the liquid continues to circulate in the loop V1.
  • the vapor imprints the line 12 of the circuit V2 and enters the condenser 46.
  • the occupation of a certain volume, in the pipe 123 and the exchanger 46, by the steam causes the evacuation of a corresponding volume of liquid towards the variable-volume tank 51.
  • the computer 171 receiving information from the pressure 121 authorizes a progressive displacement of the bellows forming the reservoir 51 so as to maintain the pressure substantially constant.
  • the computer 17 starts the fan 7 and opens the valve 81.
  • the computer 171 then controls the pressure and the cooling of the fluid by more or less condensing the vapor in the exchanger. It simultaneously controls the variable volume reservoir so as to attenuate the pressure fluctuations which are too great, by varying the volume of the bellows as required.
  • the computer 171 varies the setpoint of the actuators (pump, fan, bellows) so as to adapt P and Q to the desired operating regime.
  • the safety valve will release a certain amount of vapor.
  • the computer 17 then immediately compensates for this loss of fluid, by reducing the volume of the bellows 51 to reinject the liquid into the circuit.
  • non-return valves 51 and 131 The purpose of the non-return valves 51 and 131 is to prevent any liquid rising through the lines 5 and 12 when the volume of the bellows is reduced.
  • the condensation of the vapor remaining in the circuit is terminated and the volume of the bellows is gradually reduced, so as to be in the initial configuration, that is to say V1 and V2 full of water.
  • the pump 4 continues to provide a flow rate in order to mix the fluids of the circuits V1 and V2.

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Abstract

Procédé pour refroidir un moteur à combustion interne, dans lequel le refroidissement est obtenu par évaporation d'un liquide de refroidissement et la vapeur est ensuite ramenée à l'état liquide par soutirage de chaleur dans un dispositif de refroidissement, caractérisé en ce qu'il consiste d'une part à faire circuler le liquide de refroidissement de manière forcée suivant un circuit d'écoulement (C1, C2) comprenant la chambre d'eau (20) du moteur et d'autre part, à adapter le débit du liquide de refroidissement et la pression régnant dans le circuit d'écoulement (C1, C2) en fonction d'un ou plusieurs paramètres de fonctionnement du moteur et/ou des caractéristiques physiques du fluide de refroidissement. <IMAGE>

Description

  • L'invention concerne un procédé de refroidissement pour un moteur à combustion interne et en particulier un procédé assurant le refroidissement d'un moteur automobile par évaporation d'un liquide de refroidissement.
  • L'invention concerne également un circuit de refroidissement et ses composants pour la mise en oeuvre du procédé.
  • Le rôle des systèmes de refroidissement est essentiel dans le bon fonctionnement des moteurs à combustion interne. Le rendement de ces moteurs, c'est-à-dire le rapport entre l'énergie apportée par la combustion est faible : environ 30 % pour les moteurs à allumage commandé. La majeure partie de l'énergie apportée par la combustion est donc dissipée sous forme de chaleur.
  • Une partie de cette chaleur, environ la moitié, est emportée par les gaz d'échappement. L'autre moitié doit être évacuée par les parois des chambres de combustion sous peine d'entraîner de grave disfonctionnements : serrage des pistons dans les cylindres (à cause de la différence des coefficients de dilatation), déformation de la culasse et fuites au niveau du joint, fissurations de la chambre de combustion etc...
  • L'évacuation des calories par un système de refroidissement est donc nécessaire.
  • Le refroidissement d'un moteur à combustion interne est généralement assuré par convection forcée : un fluide de refroidissement : eau, air, huile... balaye les parois des chambres de combustion.
  • Classiquement les systèmes de refroidissement utilisent une circulation forcée d'eau (mélangée à des inhibiteurs de rouille et à de l'antigel) dans un circuit en boucle fermée. L'eau entraînée par une pompe absorbe la chaleur des parties chaudes du moteur principalement dans une chambre d'eau entourant les cylindres, puis est refroidie à son tour dans un radiateur, où circule l'air ambiant, avant de retourner au moteur. On améliore ce fonctionnement par des moyens assurant la régulation de la température, par des moyens de dégazage, par des moyens de mise en pression du circuit d'eau pour éviter la cavitation de la pompe ou encore par des moyens de montée rapide en température lors des démarrages moteur froid.
  • De tels systèmes de refroidissement présentent cependant un certain nombre d'inconvénients.
  • La quantité de liquide introduite dans le circuit de refroidissement est importante.
  • En effet, compte tenu de la faible valeur du nombre de Prandtl l'eau Pr = µ. Cp k
    Figure imgb0001
     avec µ : viscosité dynamique, Cp : chaleur spécifique à pression constante et k : coefficient de conductivité) ; il est nécessaire d'utiliser une assez grande quantité d'eau pour assurer un refroidissement correct du moteur à pleine charge.
  • Cette quantité d'eau est pénalisante : en terme de poids : elle alourdit le moteur et en terme de montée en température lors des démarrages à froid : elle freine cette montée d'où des émissions d'imbrûlés et de polluants.
  • Par ailleurs, en certains points de la chambre d'eau, notamment dans les zones à fort flux de chaleur, les températures des parois atteignent des valeurs assez élevées pour provoquer une ébullition locale non contrôlée. Il se créé alors des poches de vapeur qui séparent la paroi et le liquide et entraînent une chute brutale du coefficient de transfert de chaleur. De ce fait des points chauds apparaissent localement. Ces points chauds accentuent la production de certains polluants NO et HC en particulier et peuvent provoquer des fissurations des parois.
  • Pour ces raisons d'autres systèmes de refroidissement ont été développés et notamment les systèmes de refroidissement diphasiques du type eau-vapeur. On peut citer à ce sujet parmi les plus récentes publications les brevets US 4.572. 115, US 4.570.579 et US 4.367.699.
  • Le principe de ces systèmes est simple : utiliser l'évaporation de l'eau pour absorber grâce au phénomène de la chaleur latente de vaporisation de l'eau d'importantes quantités de chaleur du moteur.
  • Dans un système typique de refroidissement par évaporation (ou encore par ébullition), pour un moteur à combustion interne, le liquide de refroidissement s'évapore à l'intérieur de la chambre d'eau. Par l'intermédiaire du système de prélèvement, dans la partie supérieure de la chambre d'eau, la vapeur parvient en traversant des canalisations tubulaires et par exemple des séparateurs de phases liquide-vapeur, jusqu'au radiateur, où la vapeur est condensée par le refroidissement dû au ventilateur. Le condensat est renvoyé, à partir du collecteur de condensat, à la chambre d'eau du moteur de façon appropriée en un point bas, soit sous l'action de la force de pesanteur (dans la mesure où le condenseur est disposé au-dessus de la chambre d'eau) soit au moyen d'une petite pompe de relevage.
  • De nombreux avantages des systèmes de refroidissement diphasiques ont été montrés :
    • la quantité de liquide nécessaire est réduite,
    • les points chauds sont limités, peu ou pas de gradients de température car l'ébullition se fait à température constante pour une pression donnée.
  • Néanmoins, certains problèmes demeurent :
  • Une production de vapeur importante, notamment lors des fonctionnements à fortes charges, provoque une forte pressurisation du circuit qui peut endommager le moteur. Pour éviter des niveaux de pression trop important des soupapes de sécurité doivent être prévues. Ces rejets de vapeurs à l'extérieur entraîne une consommation progressive du liquide ce qui compromet l'autonomie du véhicule et nécessite un entretien régulier.
  • Une pressurisation du circuit peut également se produire si l'évacuation de la vapeur en sortie de moteur n'est pas bien aménagée. Dans ce cas un écoulement inverse peut se produire et provoquer un assèchement des zones situées en haut du moteur.
  • La plupart des systèmes de refroidissement par ébullition sont mis en oeuvre en laissant une surface libre au liquide. C'est-à-dire que le moteur est refroidi par ébullition stagnante. La quantité de liquide vaporisé est alors systématiquement renouvellée.
  • Pour cela des capteurs de niveaux sont mis en place pour permettre la mise en marche d'une pompe quand cela s'avère nécessaire.
  • La mise au point de ces capteurs pose énormément de problèmes ; la surface libre d'un liquide en ébullition n'étant pas clairement définie.
  • L'ébullition stagnante est par ailleurs mal adaptée à un refroidissement en pente.
  • Le but de la présente invention est de pallier à ces inconvénients en proposant un procédé et un circuit de refroidissement par évaporation d'un liquide qui assurent un refroidissement performant quelques soient les conditions d'utilisation du moteur et ce de manière assez simple.
  • Le procédé pour refroidir un moteur à combustion interne, dans lequel le refroidissement est obtenu par évaporation d'un liquide de refroidissement et la vapeur est ensuite ramenée à l'état liquide par soutirage de chaleur dans un dispositif de refroidissement, est caractérisé en ce qu'il consiste d'une part, à faire circuler le liquide de refroidissement de manière forcée suivant un circuit d'écoulement comprenant la chambre d'eau du moteur et d'autre part, à adapter le débit du liquide de refroidissement et la pression règnant dans le circuit d'écoulement en fonction d'un ou plusieurs paramètres de marche du moteur.
  • Grâce à ce procédé le refroidissement s'opère par ébullition circulante contrairement au procédé classique d'ébullition stagnante, ce qui supprime le problème des capteurs de niveau et permet un refroidissement efficace quelque soit l'inclinaison du moteur tout en conservant l'avantage d'une quantité de liquide réduite. L'adaptation des caractéristiques physiques de l'ébullition circulante : débit et pression, permet une adéquation des moyens de refroidissement et des besoins du moteur en refroidissement. Grâce à l'invention on limite fortement les refroidissements excessifs ou insuffisants qui pénalisent le fonctionnement du moteur en terme notamment d'émissions de produits polluants.
  • Selon une variante du procédé selon l'invention, le débit du liquide de refroidissement et la pression règnant dans le circuit d'écoulement évoluent avec la puissance dévelopée par le moteur.
  • Selon une autre variante du procédé selon l'invention, tant que la puissance du moteur est inférieure à une valeur prédéterminée, le débit du liquide de refroidissement et la pression règnant dans le circuit d'écoulement sont maintenus constants à des valeurs predéterminées respectivement Q₁ et P₁ et lorsque la puissance du moteur dépasse ladite valeur predéterminée, ledit débit et ladite pression sont portés à de nouvelles valeurs prédéterminées Q₂ et P₂ avec Q₂>Q₁ et P₂<P₁.
  • L'invention concerne également un dispositif de refroidissement pour la mise en oeuvre du procédé, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour assurer la circulation forcée du liquide de refroidissement dans la chambre d'eau du moteur et des moyens pour adapter le débit et la pression du liquide de refroidissement avec le fonctionnement du moteur.
  • Selon un mode de réalisation du dispositif de refroidissement, les moyens pour assurer la circulation forcée du liquide comprennent un circuit primaire et en dérivation un circuit secondaire pour le traitement de la vapeur.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le circuit primaire de circulation du liquide de refroidissement se compose de la chambre d'eau du moteur, d'un collecteur, d'un séparateur de phase et d'une conduite de retour à la chambre d'eau munie d'une pompe hydraulique.
  • Selon une caractéristique de l'invention, le circuit secondaire de dérivation comprend un échangeur de chaleur refroidi par un ventilateur et relié au sérarateur de phase par une conduite d'amenée, un réservoir de stockage du liquide et une conduite de retour au circuit primaire.
  • Selon une autre caractéristique, les moyens pour adapter le débit et la pression du liquide de refroidissement avec le fonctionnement du moteur comprennent un calculateur électronique qui en fonction de la puissance fournie par le moteur, la température du liquide dans le séparateur et/ou le taux de vide à la sortie du moteur pilote le ventilateur, la soupape et la pompe.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description donnée à titre d'exemple non limitatif de plusieurs modes de réalisation de l'invention en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique, en coupe partielle du dispositif de refroidissement ;
    • la figure 2 est une vue en coupe partielle précisant un mode de réalisation du séparateur de phase schématisé à la figure 1 ;
    • les figures 3a et 3b sont des vues détaillant la vanne antivapeur schématisée à la figure 2 ;
    • la figure 4 est une vue en coupe partielle du condenseur représenté à la figure 1 ;
    • la figure 5 est une vue en coupe des moyens de mesure du taux de vide utilisés pour le pilotage du dispositif de refroidissement ;
    • la figure 6 précise la réalisation des moyens de mesure de la figure 5.
    • la figure 7 est une vue schématique en coupe partielle d'une variante du dispositif de refroidissement ;
  • Conformément à la figure 1, le dispositif de refroidissement comprend un circuit primaire de circulation du fluide de refroidissement C₁. Ce circuit primaire comprend la "chambre d'eau" 20 du moteur à combustion interne 1. Cette chambre d'eau 20 se compose d'une enceinte entourant les parois des chambres de combustion, définie dans le carter cylindres et se prolongeant dans la culasse. La partie supérieure de la chambre d'eau 20 communique par un collecteur 2, avec un séparateur de phase 3. Le circuit primaire C₁ se poursuit ensuite par une conduite 5 qui relie la partie basse du séparateur de phase 3, où est recueillie le liquide, à une pompe d'alimentation 4 et la pompe 4 à la chambre d'eau. Le circuit primaire C₁ constitue donc une boucle de circulation pour le liquide de refroidissement.
  • Ce circuit primaire C₁ admet un circuit secondaire C₂ de dérivation pour le traitement de la phase vapeur. Ce second circuit C₂ comprend une conduite 12 reliant la partie haute du séparateur de phase 3 où circule la vapeur, à un échangeur 6, où est recueilli le condensat, dans lequel communique avec un réservoir 11 par la conduite 13. Ce réservoir 11 est muni d'une soupape 10 permettant d'ajuster la pression qui y règne. La dérivation générée par le second circuit se termine par la conduite 15 reliant le réservoir 11 à la pompe 4, la conduite 15 est équipée d'une vanne 8 commandée par le niveau de liquide dans le réservoir 11 grâce à un dispositif à flotteur 9.
  • La mise en oeuvre de la pompe 4, du ventilateur 7 et de la soupape 10 est pilotée par un calculateur électronique 17 en fonction de différents paramètres : la température du liquide dans le séparateur de phase (sonde 18), la puissance du moteur, la température au niveau des parois des chambres de conbustion, ou encore le taux de vide à la sortie de la chambre d'eau (sonde conductimétrique 19).
  • Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant :
  • Avant le démarrage du moteur 1, le fluide de refroidissement se présente sous forme liquide et n'est présent que dans le circuit primaire C₁ exceptée une petite quantité retenue dans le réservoir 11, la vanne 8 est en position fermée, interdisant le passage du liquide du circuit primaire C₁ vers le réservoir 11 et l'échangeur 6. Lors du démarrage le calculateur 17 génère une valeur de consigne P₁ pour la pression régnant dans le réservoir 11 et donc dans l'ensemble du dispositif de refroidissement via l'échangeur 6 et la conduite 12. Cette pression est générée grâce à la manoeuvre de la soupape 10. Le calculateur 17 détermine également une valeur de débit Q₁ pour la pompe 4. Le fluide de refroidissement circule selon le circuit primaire C₁ jusqu'au moment où le liquide se met à bouillir dans la chambre d'eau 20 au contact des parois chaudes des chambres de combustion. Dès lors le collecteur 2 évacue un mélange liquide-vapeur. La séparation des phases s'opèrent dans le séparateur 3. Le liquide poursuit sa circulation en boucle fermée dans le circuit primaire C₁. La vapeur empreinte le second circuit C₂ dit circuit de dérivation et passe dans l'échangeur 6 chassant l'air qui s'y trouve et le comprimant dans le réservoir 11.
  • Le condensat alimente le réservoir 11 et élève ainsi le niveau du liquide. Lorsqu'un seuil de niveau est dépassé, le dispositif à flotteur 9 formant capteur de niveau ouvre la vanne 8 ce qui permet de remettre en circulation dans le circuit ou boucle primaire C₁ une certaine quantité de liquide. Le dispositif à flotteur 9 referme la vanne 8 dès que le niveau à suffisamment baissé.
  • Si la pression augmente dans le circuit, le calculateur 17 commande la marche du ventilateur afin d'accélérer la condensation au niveau du radiateur 6 et si la condensation n'est pas suffisante, manoeuvre la soupape 10 de façon à échapper l'air comprimé préalablement emmagasiné dans le réservoir 11. Le suivi de la pression règnant dans le circuit est réalisé grâce au capteur de température 18 disposé dans la partie basse du séparateur de phase 3 en contact avec la phase liquide.
  • Cette régulation permet donc de conserver une pression quasiment constante et donc une température de vaporisation fixe, ce qui ne nécessite pas une ouverture fréquente de la soupape de régulation.
  • Lorsqu'au cours du fonctionnement la puissance du moteur dépasse un seuil prédéterminé, le calculateur 17 génère alors une seconde valeur de consigne P₂ pour la pression régnant dans le circuit de refroidissement avec P₂< P₁, en pilotant le ventilateur 7 et la soupape 10.
  • De même le débit de la pompe 4 est modifié et porté à une valeur Q₂ avec Q₂ > Q₁.
  • En diminuant le point d'ébullition et en augmentant le débit du liquide de refroidissement, le circuit est à même de satisfaire les besoins accrus de refroidissement en utilisant le même dispositif et la même quantité de fluide de refroidissement.
  • A l'arrêt du moteur, la dépression créée dans le radiateur 6 et le séparateur de phase 3 provoque la vidange de la réserve 11.
  • La figure 2 précise un mode privilégié de réalisation du séparateur de phase 3 et du collecteur 2 décrit précédemment.
  • Un séparateur de phase nécessite un volume important de façon à ralentir le mélange liquide vapeur dès son entrée et diminuer ainsi l'effet de la force de traine des deux phases. Les deux phases sont alors séparées par leur force de gravité : la vapeur sort par le haut du séparateur, tandis que le liquide recueilli au fond du récipient sort par le bas.
  • Quant au collecteur de vapeur, il a pour rôle de faciliter l'évacuation de la vapeur du moteur vers le condenseur. Avec ses conduites verticales situées au droit de la culasse du moteur il diminue le risque d'une crise d'ébullition en homogénéisant le taux de vide et la température de l'écoulement diphasique.
  • Par ailleurs pour faciliter le passage de la vapeur du collecteur au séparateur, il est nécessaire de relier ces deux éléments avec une conduite de fort diamètre.
  • Il en résulte qu'un ensemble collecteur-séparateur occupe habituellement un volume important peu compatible avec les exigences des véhicules d'aujourd'hui.
  • Suivant le mode de réalisation de la figure 2 le séparateur et le collecteur ont été réunis en un seul ensemble 23. Cet ensemble comprend une pluralité de conduites verticales 232, une chambre cylindrique 234, une sortie de vapeur 233 et une sortie d'eau 231 munie d'une vanne anti-vapeur.
  • Les conduites verticales 232 font saillies à l'intérieur de la chambre 234 jusqu'environ un tiers de la hauteur de cette dernière. Ainsi le mélange liquide vapeur évacué directement du moteur peut déboucher librement des conduites 232 dans la chambre 234. La vapeur sort du haut du séparateur en direction du condenseur par la conduite 12, alors que le liquide retombe au fond du collecteur où il est ensuite évacué vers le bas par la conduite 5 après avoir traversé la vanne anti-vapeur.
  • Cette vanne anti-vapeur est précisée conformément aux figures 3a et 3b. Cette vanne a pour rôle d'interdire tout passage de vapeur dans le circuit 5 de retour du liquide au moteur, passage qui pourrait engendrer des dépressions préjudiciables.
  • La vanne est logée dans une cavité 235 au fond de laquelle est pratiqué l'orifice de sortie d'eau 231. Cet orifice est pourvu d'un siège 236 obturable par l'extrémité inférieur d'un flotteur 237 formant pointeau. Le flotteur 237 est maintenu au-dessus du siège, logé dans un tube de guidage 238 cylindrique fermé dans sa partie haute et ajouré dans sa partie basse pour les passages du liquide.
  • Lorsque du liquide est évacué par les conduites verticales 232 il remplit la cavité 235 et le flotteur 237 monte dans le tube de guidage 238 libérant l'orifice 231. Lorsqu'il n'y a plus de liquide le flotteur 237 retombe, le pointeau en appui contre le siège 236 ferme l'orifice 231 et empêche tout passage de vapeur.
  • Conformément à la figure 4 le condenseur 6 décrit précédemment est du type à deux passes. Il est formé par un radiateur 46 comportant deux boîtes de distribution verticales : une première boîte 460 et une seconde boîte 461, ces boîtes communiquent entre elles par des faisceaux 462 de tubes de faible diamètre s'étendant sensiblement horizontalement. La première boîte 460 où débouche la conduite d'amenée de la vapeur 12 est scindée en deux demi-boîtes par une paroi de séparation horizontale.
  • La vapeur pénètre dans la demi-boîte supérieure et traverse les faisceaux de tubes horizontaux 462 pour atteindre la seconde boîte 461. Une partie de la vapeur se condense au cours de ce passage et s'écoule au fond de la seconde boîte 461.
  • La vapeur restante traverse dans l'autre sens les tubes horiontaux pour rejoindre la demi-boîte inférieure. Une nouvelle partie de la vapeur se condense lors de ce second passage et est recueillie au fond de la demi-boîte inférieure.
  • La vapeur résiduelle est aspirée et réintroduite dans la demi-boîte supérieure à l'aide d'un système d'aspiration actionnée par une turbine 463. En raison de la faible chute de pression entre l'entrée et la sortie de ce type de condenseur, la turbine ne nécessite qu'une faible puissance d'entraînement.
  • La demi-boîte inférieure et la seconde boîte sont munies dans le fond d'un orifice d'évacuation du condensat. Pour empêcher que la vapeur ne s'échappe du condenseur sans avoir été condensée chacun de ces orifices est muni d'une vanne anti-vapeur 464 similaire à celle décrite précédemment.
  • La figure 5 représente plus précisément une vue en coupe de la sonde conductimétrique 19 des moyens de mesure du taux de vide. Elle est constituée essentiellement de deux électrodes annulaires 191 - 192 insérées coaxialement à une certaine distance l'une de l'autre dans un cylindre 190 isolant et résistant à la chaleur. Cet ensemble ainsi réalisé forme une sortie du circuit de refroidissement reliant la sortie de la chambre d'eau du moteur au séparateur.
  • La figure 6 représente le circuit électrique connecté à la sortie des électrodes et permettant la mesure du taux de vide moyen. Il se compose d'un conductimètre C associé à un intégrateur I. Le conductimètre comprend : une source de tension Uo connecté à une des électrodes de la sonde conductimétrique, une résistance R₁ connectée entre la masse et la deuxième électrode de la sonde. L'intégrateur comprend classiquement un ampli opérationnel T₁ et un condensateur C₁.
  • La sonde présentant une conductance G constitue avec la résistance R₁ un pont diviseur sur lequel peut être prévelée la mesure du taux de vide grâce à la mesure de la tension Ur aux bornes de la résistance R₁.
  • La loi d'Ohm permet d'écrire : U r = R₁ 1 G + R ₁ x U o
    Figure imgb0002
  • R₁ est choisi tel que 1/G soit très supérieur à R₁
       d'où Ur = R₁ x G x Uo
       d'où G = 1 R₁ x U r U o
    Figure imgb0003
  • La conductance étant directement liée au taux de vide celui-ci est connu.
  • L'intégration permet classiquement une estimation du taux de vide moyen par l'estimation de la conductance moyenne dans le temps to : < G > = - R₂C R₁U o x U s t o
    Figure imgb0004
     or Us est la tension de sortie du système.
  • La figure 7 présente une variante de réalisation du circuit de refroidissement dans lequel la soupape 10 de mise à l'air est supprimée. Il apparaît en effet que si un tel système de purge est simple à mettre en oeuvre il présente toutefois certains inconvénients au nombre desquels on peut citer la perte de liquide de refroidissement et l'accélération du vieillissement de ce dernier par oxygénation.
  • Pour éviter ces inconvénients il est proposé de garder le circuit complètement fermé comme dans un circuit de refroidissement conventionnel monophasique, en utilisant un réservoir à volume variable compensant l'expension du volume.
  • Un tel système permet un règlage de la pression du circuit de manière à la fois simple, sûre et stable : une simple pression sur le soufflet augmente la pression du circuit contrairement à un système à purge qui nécessite un temps plus important pour ajuster les pressions.
  • De manière similaire au circuit décrit figure 1, le présent circuit comprend un circuit primaire de circulation du fluide de refroidissement V₁. Le circuit primaire V₁ comprend la "chambre d'eau" du moteur 1, un collecteur-séparateur de vapeur 23, une conduite 5 équipée d'une vanne anti-retour 55 qui permet de relier la partie basse du séparateur recueillant le liquide à une pompe d'alimentation 4 et qui se poursuit de la pompe jusqu'à l'entrée de la chambre d'eau.
  • La phase vapeur est traitée dans un circuit secondaire V₂ de dérivation au circuit V₁ où une conduite 12 relie la sortie vapeur du séparateur 23 à l'entrée du condenseur 46, un capteur de précision équipe cette conduite.
  • Une turbine 122 est insérée avant l'entrée du condenseur, afin de faciliter l'extraction de la vapeur de sortie moteur si celui-ci était problématique.
  • A la sortie de l'échangeur, le condensat est recueilli dans une conduite 13 équipée d'une vanne anti-retour 131. Cette conduite communique avec un réservoir à volume variable 51 et se prolonge jusqu'à une vanne 8 commandée par le calculateur.
  • La dérivation V₂ se termine par une conduite reliant la vanne 8 à la pompe 4.
  • Ce circuit étant complètement fermé, il n'y a pas de soupape de mise à l'air comme dans le dispositif décrit précédemment, il est nécessaire de placer une soupape de sécurité 47 dans la partie supérieure du condenseur 46. Celle-ci a pour but d'éviter toute augmentation de pression que l'on ne pourrait pas contrôler. L'origine de cette surpression pouvant être une panne de la pompe ou le blocage d'une vanne par exemple.
  • La mise en oeuvre de la pompe 4, du ventilateur 7, de la vanne 81, du réservoir 51 et éventuellement de la turbine 122 est pilotée par un calculateur électronique 171 en fonction de différents paramètres :
    • puissance du moteur
    • température au niveau des parois des chambres de combustion
    • pression dans la branche vapeur
    • taux de vide, etc...
  • Le fonctionnement du dispositif qui vient d'être décrit est le suivant. A froid, avant le démarrage du moteur 1, la totalité du circuit (V₁ et V₂), est remplie par le fluide de refroidissement à l'état liquide. Le réservoir à volume variable 51 est alors en position minimale.
  • Lors du démarrage le calculateur 171 ordonne la fermeture de la vanne 8 interdisant ainsi la circulation du fluide dans la dérivation V₂, et détermine un débit Q pour la pompe 4, ainsi qu'une pression P de fonctionnement. Le réglage du réservoir à volume variable 51 à partir des données du capteur 121 permettent une adaptation quasi-instantanée de la pression. L'échauffement du liquide dans la boucle V₁, provoque une dilatation du fluide qui est compensée par l'expansion du réservoir à volume variable 51.
  • Lorsque l'ébullition est initiée dans la chambre d'eau du moteur 1, le mélange diphasique liquide-vapeur est séparé dans le collecteur-séparateur 23. Le liquide poursuit sa circulation dans la boucle V₁. La vapeur empreinte la conduite 12 du circuit V₂ et entre dans le condenseur 46.
  • L'occupation d'un certain volume, dans la conduite 123 et l'échangeur 46, par la vapeur provoque l'évacuation d'un volume correspondant de liquide vers le réservoir à volume variable 51. Le calculateur 171 recevant des informations du capteur de pression 121 autorise un déplacement progressif du soufflet formant le réservoir 51 de façon à maintenir la pression sensiblement constante.
  • Lorsque le réservoir est rempli ou lorsque le niveau du liquide dans le condenseur atteint une valeur limite, le calculateur 17 déclenche le ventilateur 7 et ouvre la vanne 81.
  • Le calculateur 171 contrôle alors la pression et le refroidissement du fluide en condensant plus ou moins la vapeur dans l'échangeur. Il pilote, simultanément, le réservoir à volume variable de manière à atténuer les fluctuations de pressions elles sot trop importantes, en faisant varier le volume du soufflet suivant les besoins.
  • Le calculateur 171 fait varier la consigne des actionneurs (pompe, ventilateur, soufflet) de façon à adapter P et Q au régime de fonctionnement désiré.
  • Lors d'un dysfonctionnement du système (augmentation incontrôlée de la pression) la soupape de sécurité va libérer une certaine quantité de vapeur. Le calculateur 17, compense alors, immédiatement, cette perte de fluide, en réduisant le volume du soufflet 51 pour réinjecter du liquide dans le circuit.
  • Ainsi une augmentation de pression due à un dysfonctionnement n'entraîne pas un arrêt immédiat du système.
  • Les vannes anti-retour 51 et 131 ont pour but d'éviter toute remontée de liquide par les conduites 5 et 12 lorsqu'on réduit le volume du soufflet.
  • A l'arrêt du moteur 1, on termine la condensation de la vapeur subsistant dans le circuit et au réduit progressivement le volume du soufflet, afin de se retrouver dans la configuration initiale, c'est-à-dire V₁ et V₂ pleins d'eau. Pendant ce temps la pompe 4 continue à assurer un débit afin de mélanger les fluides des circuits V₁ et V₂.
  • Il est évident que l'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites et qu'on peut y apporter d'autres variantes d'exécution.
  • Ainsi il est possible d'avoir une adaptation de la pression et du débit N-modale N > 2 et non pas seulement bimodale en décomposant le domaine d'évolution de la puissance du moteur en N segments.
  • Ainsi il est possible d'avoir une adaptation de la pression et du débit qui tienne compte de la puissance du moteur mais également de la température au niveau des parois des chambres de combustion.

Claims (16)

  1. Procédé pour refroidir un moteur à combustion interne, dans lequel le refroidissement est obtenu par évaporation d'un liquide de refroidissement et la vapeur est ensuite ramenée à l'état liquide par soutirage de chaleur dans un dispositif de refroidissement, caractérisé en ce qu'il consiste d'une part, à faire circuler le liquide de (C₁, C₂) comprenant la chambre d'eau (20) du moteur et d'autre part à adapter le débit du liquide de refroidissement et la pression régnant dans le circuit d'écoulement (C₁, C₂) en fonction d'un ou plusieurs paramètres de fonctionnement du moteur et/ou des caractéristiques physiques du fluide de refroidissement.
  2. Procédé pour refroidir un moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit du liquide de refroidissement et la pression règnant dans le circuit d'écoulement (C₁, C₂) évoluent avec la puissance développée par le moteur.
  3. Procédé pour refroidir un moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que tant que la puissance du moteur est inférieure à une valeur prédéterminée, le débit du liquide de refroidissement et la pression règnant dans le circuit d'écoulement (C₁, C₂) sont maintenues constantes à des valeurs prédéterminées respectivement Q₁ et P₁ et en ce que lorsque la puissance du moteur dépasse ladite valeur prédéterminée, ledit débit et ladite pression son portés à de nouvelles valeurs prédéterminées Q₂ et P₂ avec Q₂ > Q₁ et P₂ < P₁.
  4. Dispositif de refroidissement pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (C₁, C₂) pour assurer la circulation forcée du liquide de refroidissement et des moyens (17) pour adapter le débit dans la chambre d'eau (20) du moteur et la pression du liquide de refroidissement avec le fonctionnement du moteur.
  5. Dispositif de refroidissement selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens pour assurer la circulation forcée du liquide de refroidissement comprennent un circuit primaire (C₁) et en dérivation un circuit secondaire (C₂) pour le traitement de la vapeur.
  6. Dispositif de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit primaire (C₁) de circulation du liquide de refroidissement se compose de la chambre d'eau du moteur d'un collecteur (2, 23), d'un séparateur de phase (3, 23) et d'une conduite de retour (5) à la chambre d'eau munie d'une pompe hydraulique (4).
  7. Dispositif de refroidissement selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit collecteur et ledit séparateur de phase sont réunis en un seul ensemble (23).
  8. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 6 à 7, caractérisé en ce que l'embouchure (231) de la conduite de retour (5) est munie d'une vanne à flotteur (237) interdisant le passage de la vapeur.
  9. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le circuit secondaire (C₂) de dérivation comprend un échangeur de chaleur (6, 46) refroidi par un ventilateur (7) et relié au séparateur de phase par une conduite d'amenée (12), un réservoir de stockage (11, 511) du liquide et une conduite de retour (15) au circuit primaire.
  10. Dispositif de refroidissement selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur est formé par un radiateur à deux passes (46) comportant deux boîtes à eau collectrices disposées verticalement (460, 461) lesdites boîtes à eau étant reliées par des faisceaux de tubes horizontaux (462), les orifices d'évacuation du condensat disposés dans le fond desdits boîtes à eau sont munis de vannes anti-vapeur (464), une turbine (463) assurant une circulation de la vapeur résiduelle jusqu'à sa condensation totale.
  11. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que ledit réservoir de stockage du liquide est constitué par un réservoir à volume viable (511).
  12. Dispositif de refroidissement selon la revendication 11, caractérisé en ce que le réservoir est formé par une enceinte à soufflet (512) dont le volume est piloté par des moyens de contrôle.
  13. Dispositif de refroidissement selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladit conduite de retour (15) est munie de moyens obturateurs (8,9) commandés par le niveau de liquide dans ledit réservoir.
  14. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 7 à 8 , caractérisé en ce que le réservoir de stockage (11) est muni d'une soupape (10) permettant d'ajuster la pression dans le réservoir et dans l'ensemble des circuits primaire et secondaire (C₁, C₂).
  15. Dispositif de refroidissement selon l'une quelconques des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que les moyens pour adapter le débit et la pression du liquide de refroidissement avec le fonctionnement du moteur comprennent un calculateur électronique (17) qui en fonction de la puissance fournie par le moteur et la température du liquide dans le séparateur (3) et ou le taux de vide pilote le ventilateur (7), la soupape (10) ou le soufflet (512), et la pompe (4).
  16. Dispositif de refroidissement selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer le taux de vide comprennent une sonde conductimétrique (19) à deux électrodes disposées à la sortie de la chambre d'eau.
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